计算机网络教程课件 05 IPv6网络层协议

第05章IPv6网络层Pv6概述IPv6编址IPv6地址配置实现IPv6地址自动配置本章内容5.1IPv6概述

地址耗尽：32位地址空间（约42亿个）无法满足设备增长（物联网、5G）分配不均：全球地址资源集中，部分地区短缺NAT复杂性：导致P2P等端到端应用故障安全性不足：无内置安全机制，易受攻击路由表膨胀：网络规模扩大导致路由器负担加重不支持新兴技术：难以适配物联网、云计算等新场景5.1.1IPv4面临的困境5.1.2IPv6优势优势具体说明更大地址空间128位地址（2¹²⁸个），彻底解决地址耗尽问题报文结构精简基本首部固定40字节，Option功能转移至扩展首部，路由器处理效率提升内容获取更快地址“聚类”原则，减小路由表规模，转发速度提升层次化网络结构IANA→RIR→ISP分配模式，路由聚合性强更高安全性内置加密、报文校验机制，保障数据完整性和真实性更好QoS支持新增流标记域，精准区分实时流量适配新兴技术支持SRv6、网络切片，满足5G、物联网、工业互联网需求网络层方面，IPv6协议栈的网络层没有ARP协议和IGMP协议。IPv6对ICMP协议的功能做了很大扩展，IPv4中ARP协议的功能被嵌入到IPv6的邻居发现协议（NDP）中，IGMP协议的组播成员管理功能被嵌入到组播侦听器发现（MLD）协议中。功能方面，ICMPV6取代了ICMP，用于测试网络、报告错误等，帮助判断网络故障。NDP取代了ARP，用于管理相邻IPv6节点间的交互，包括自动配置地址和地址解析。MLD取代了IGMP，用于管理IPv6组播组成员的身份。TCP/IPv4协议栈和TCP/IPv6协议栈的比较IPv6数据包在基本首部（BaseHeader）的后面允许有零个或多个扩展首部（ExtensionHeader)，再后面是数据。所有的扩展首部都不属于IPv6数据包的首部。所有的扩展首部和数据合起来叫做数据包的有效载荷（Payload）或净负荷。5.1.3IPv6的基本首部

IPv6的基本首部

版本号：长度为4bit。对于IPv6，该值为6。

流类别：长度为8bit。等同于IPv4中的QoS字段，表示IPv6数据包的类或优先级，主要应用于QoS。

流标签：长度为20bit。IPv6中的新增字段，用于区分实时流量，不同的流标签+源地址可以唯一地确定一条数据流，中间网络设备可以根据这些信息更加高效地区分数据流。

有效载荷长度：长度为16bit。有效载荷是指紧跟IPv6基本首部的数据包的其他部分（即扩展首部和上层协议数据单元）。

下一个首部：长度为8bit。该字段可定义紧跟在IPv6基本首部后面的第一个扩展首部（如果存在）的类型，或者上层协议数据单元中的协议类型（类似于IPv4的Protocol字段）。

跳数限制：长度为8bit。该字段类似于IPv4中的TimetoLive字段，它定义了IP数据包所能经过的最大跳数。每经过一个路由器，该数值就减1，当该字段的值为0时，数据包将被

丢弃。

源地址：长度为128bit。表示发送方的地址。目的地址：长度为128bit。表示接收方的地址。基本首部中各字段的作用取消了首部长度字段：IPv6的首部长度是固定的40字节。取消了服务类型字段：其功能由流量类别（TrafficClass）实现。。取消了总长度字段：改用有效载荷长度字段，该字段只表示数据部分的长度，不包括首部。取消了标识、标志和片偏移字段：这些功能已包含在分片扩展首部中。把TTL字段改称为跳数限制字段：作用不变，更强调“可通过路由器个数”的概念，数据过一次路由器就减1，减到0则丢弃数据。取消了协议字段：改用下一个首部字段，当IPv6数据报没有扩展首部时，其作用和IPv4的协议字段一样，用于指出基本首部后面的数据应交付给IP层上面的哪一个高层协议；当出现扩展首部时，该字段的值标识后面第一个扩展首部的类型。取消了检验和字段：加快了路由器处理数据报的速度。取消了选项字段：用扩展首部来实现选项功能，路由器通常不处理扩展首部（除逐跳扩展首部外），提高了处理效率。同时，IPv6首部改为8字节对齐，而IPv4首部是4字节对齐。与IPv4相比Pv6对首部中的某些字段进行的更改扩展首部由源/目的节点处理，中间路由器仅处理“逐跳选项首部”。按固定顺序排列：逐跳选项→目的选项→路由选择→分片→认证→封装安全有效载荷5.1.4IPv6的扩展首部扩展首部类型下一个首部值功能说明逐跳选项首部0为路径上每台路由器指定发送参数目的选项首部60仅目的节点处理的附加信息路由选择首部43强制数据包经过特定设备分片首部44报文超过MTU时分片（替代IPv4的标识/片偏移字段）认证首部51IPsec认证、数据完整性、重放保护封装安全有效载荷首部50IPsec加密+认证功能每一个扩展首部都由若干个字段组成，它们的长度也各不相同。但所有扩展首部的第一个字段都是8位的“下一个首部”字段。如图所示，此字段的值指出了在该扩展首部后面的字段是什么。IPv6的扩展首部包括路由选择首部、分片首部及TCP首部IPv6扩展首部示例5.2IPv6编址长度：128位，格式为xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx（8组4位十六进制）组成：网络前缀（标识网络）+接口ID（标识设备接口）地址数量对比：IPv4：32位（42亿个）IPv6：128位（≈3.4×10³⁸个）5.2IPv6编址长度：128位，格式为xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx:xxxx（8组4位十六进制）组成：网络前缀（标识网络）+接口ID（标识设备接口）地址数量对比：IPv4：32位（42亿个）IPv6：128位（≈3.4×10³⁸个）5.2.1IPv6地址概述压缩规则：前导0可省略（如2001:0DB8::→2001:DB8::）连续全零组用::代替（仅1次）Pv6地址的简化表示根据IPv6地址网络前缀，可将IPv6地址分为单播（Unicast）地址、组播（Multicast）地址和任播（Anycast）地址。单播地址又分为全球单播地址、唯一本地地址、链路本地地址、特殊地址和其他单播地址。5.2.2IPv6地址分类全球单播地址也被称为可聚合全球单播地址。该类地址全球唯一，用于需要有Internet访问需求的计算机，相当于IPv4的公网地址。通常GUA的网络部分长度为64bit，接口标识也为64bit。IPv6全球单播地址的分配方式如下：顶级地址聚集机构TLA（TopLevelAggregator）（大的ISP或地址管理机构）获得大块地址，TLA负责给次级地址聚集机构NLA（NextLevelAggregator）（中小规模ISP）分配地址，NLA再给站点级地址聚集机构SLA（SiteLevelAggregator）（子网）和网络用户分配地址。全球单播地址全局路由前缀（GlobalRoutingPrefix）：由提供商指定给一个组织机构，一般至少为45bit。子网ID（SubnetID）：组织机构根据自身网络需求划分子网。

接口标识：用来标识一个设备（的接口）。全球单播地址的结构单播地址用于点对点通信，仅能标识一个接口。常见的单播地址类型有全球单播地址、唯一本地地址和链路本地地址等，其网络前缀和接口标识通常为64位。一个IPv6单播地址可以分为如下两部分网络前缀：nbit，相当于IPv4地址中的网络ID。接口标识：（128-n）bit，相当于IPv4地址中的计算机ID。5.2.3单播地址唯一本地地址是IPv6私网地址，只能够在内网使用。该地址空间在IPv6公网中不可被路由，因此不能直接访问公网。唯一本地地址使用FC00::/7地址块，目前仅使用了FD00::/8地址段，FC00::/8预留为以后扩展用。唯一本地地址IPv6中有种地址类型叫做链路本地地址，该地址用于在同一子网中的IPv6计算机之间进行通信。自动配置、邻居发现以及没有路由器的链路上的节点都可使用这类地址。链路本地地址的有效范围是本地链路。其前缀为FE80::/10。当配置一个单播IPv6地址的时候，接口上会自动配置一个链路本地地址。链路本地地址可以和可路由的IPv6地址共存。链路本地地址IPv6单播地址接口标识可以通过三种方式生成：

手工配置系统自动生成

通过IEEEEEUI-64（64-bitExtendedUniqueIdentifier）规范生成通过EUI-64规范生成最为常用，此规范将接口的MAC地址转换为IPv6接口标识。IEEEEEUI-64规范是在MAC地址中插入FF-FE，MAC地址的第7bit取反，形成IPv64地址的64bit网络接口标识。单播地址接口标识生成方式组播地址用于“一对多”通信，可标识多个接口，仅能作为IPv6报文的目的地址。组播地址以11111111（ff）开头，包含Flags、Scope、Reserved和GroupID等字段。Flags表示永久或临时组播组，Scope表示组播范围，Reserved必须为0，GroupID用于标识组播组。组播源使用某个组播地址发送组播流，

打算接收该组播信息的计算机需要加入该组播组，也就是网卡绑定该组播IP地址，生成对应的组播MAC地址。5.2.4组播地址Flags：表示永久或临时组播组。0000表示永久分配或众所周知的；0001表示临时的。Scope：表示组播的范围。GroupID：组播组ID。Reserved：占80比特，必须为0。组播地址的构成Scope取值范围0表示预留1表示节点本地范围，单个接口有效，仅用于Lookback通信2表示链路本地范围，例如FF02::15表示站点本地范围8组织本地范围E表示全球范围F表示预留被请求节点组播地址用于邻居发现机制和地址重复检测，有效范围为本地链路。当一个节点具备了单播或任播地址，就会对应生成一个被请求节点组播地址，并且加入了这个组播组。其前104位固定，根据节点的单播或任播地址生成，可用于获取邻居节点链路层地址和进行重复地址检测，且不会占用其他非目标节点网络性能。被请求节点组播地址的前104位是固定的，前缀为FF02:0000:0000:0000:0000:0001:FFxx:xxxx/104，或缩写成FF02::1:FFxx:xxxx/104。将IPv6地址的后24位移下来填充到后面，就形成被请求节点组播地址。被请求节点组播地址在本地链路上，被请求节点的组播地址中只包含一个接口。只要知道了一个接点的IPv6地址，就能计算出其被请求节点的组播地址。被请求节点组播地址的作用如下在IPv6中没有ARP。ICMP取代了ARP的功能，被请求节点的组播地址会被节点用来获得相同本地链路上邻居节点的链路层地址。用于重复地址检测（DuplicateAddressDetection，DAD），在使用无状态自动配置将某个地址配置为自已的IPv6地址之前，节点会利用DAD验证在其本地链路上该地址是否已被使用。被请求节点的组播地址任播地址可标识一组接口，数据包发往该地址时，会被传送到“最近”的接口（路由开销最小的路径）。任播地址与单播地址格式相同，区别在于多个设备可共用同一任播地址，且设备需明确配置为任播地址。任播地址适用于业务冗余和提供优质服务场景，如多台服务器提供相同服务时，任播可实现故障自动切换，提升用户体验。5.2.5任播地址常见的IPv6地址类型包括全球单播地址（2000::/3）2000::/33000::/300100000::/3--00110000::/3保留地址（2001:0DB8::/32）为文档示例预留了地址空间，如2001:0DB8::/32。链路本地地址（FE80::/10）组播地址（FF00::/8）未指定地址（::/128）环回地址（::1/128）5.2.6常见的IPv6地址类型和地址范围IPv6地址配置计算机和路由器的IPv6地址IPv6单播地址业务流程邻居发现协议IPv6地址配置方式IPv6地址自动配置的两种方式5.3IPv6地址配置5.3.1计算机和路由器的IPv6地址邻居发现协议（NDP）作为IPv6的基础性协议，提供了地址自动配置、重复地址检测（DAD）、地址解析等功能。5.3.2邻居发现协议NDP使用的ICMPv6报文，NDP协议封装在ICMPv6中，使用类型字段标识NDP的不同报文，表列出了NDP各种报文使用的类型字段。地址解析、前缀公告和DAD用到的报文类型NDP使用的ICMPv6报文类型ICMPv6类型报文名称133路由器请求（RS）134路由器通告（RA）135邻居请求（NS）136邻居通告（NA）机制RS133RA134NS135NA136地址解析

√√前缀公告√√

DAD

√√计算机或路由器在发送IPv6报文之前要经历地址配置、重复地址检测、地址解析三个阶段。邻居发现协议（NeighborDiscoveryProtocol，NDP）扮演了重要角色，可以按到在无状态自动配置、有状态地址配置、重复地址检测和地址解析都用到NDP。5.3.3IPv6单播地址业务流程使用IPv6通信的计算机，可以人工指定静态地址，也可以设置成自动获取IPv6地址。自动配置有两种方式，即无状态自动配置和有状态自动配置DHCP。5.3.4IPv6地址配置方式IPv6支持地址有状态（Stateful）和无状态（Stateless）两种自动配置方式路由器接口通告的RA报文中的M标记位（ManagedAddressConfigurationFlag）和O标记位（OtherStatefulConfigurationFlag）来控制终端自动获取地址的方式。5.3.5IPv6地址自动配置的两种方式1.计算机节点PC1在配置好链路本地地址后，发送RS报文，请求路由前缀信息。2.路由器收到RS报文后，发送单播RA报文，携带用于无状态地址自动配置的前缀信息，M标记位为0，O标记位为0，同时路由器也会周期性地发送组播RA报文。3.PC1收到RA报文后，根据路由前缀信息和配置信息生成一个临时的全球单播地址。同时启动DAD，发送NS报文验证临时地址的唯一性，此时该地址处于临时状态。4.链路上的其他节点收到DAD的NS报文后，如果没有节点使用该地址，则丢弃报文，否则产生应答NS的NA报文。5.PC1如果没有收到DAD的NA报文，说明地址是全局唯一的，则用该临时地址初始化接口，此时地址进入有效状态。无状态自动配置过程1.PC1发送路由器请求（RS）。2.AR1路由器发送路由器通告（RA），RA报文中有两个标志位。M标记位是1，告诉PC1从DHCPv6服务器端获取完整的128bitIPv6地址。O标记位是1，告诉PC1从DHCPv6服务器获取DNS等其他配置。如果这两个标记位都是0，则是无状态自动配置，不需要DHCPv6服务器。3.PC1发送DHCPv6征求消息。征求消息实际上就是组播消息，目标地址为ff02::1:2，是所有DHCPv6服务器和中继代理的组播地址。4.DHCPv6服务器给PC1提供IPv6地址和其他设置。此外，DHCPv6服务器端将会记录该地址的分配情况（这也是为什么被称为有状态）。有状态自动配置过程IPv6无状态自动配置适合于网络摄像头（监控设备）、网络打印机等设备，实现了设备即插即用。IPv6有状态自动配置需要DHCP服务器，说其有状态是因为DHCP服务器对分配给客户端使用的地址有记录，租约过期地址收回。有状态自动配置适用于给网络中的计算机配置IPv6地址，除了给客户端分配IPv6地址还配置DNS等其他设置。5.3.6无状态地址自动配置和有状态地址自动配置的优缺点5.4实现IPv6地址自动配置将Windows10的IPv6地址设置成自动获取IPv6地址，实现无状态自动配置。5.4.1实现IPv6地址无状态自动配置[AR1]ipv6--全局开启对IPv6的支持[AR1]interfaceGigabitEthernet0/0/0[AR1-GigabitEthernet0/0/0]ipv6enable--在接口上启用IPv6支持[AR1-GigabitEthernet0/0/0]ipv6address2018:6:6::164--添加IPv6地址[AR1-GigabitEthernet0/0/0]ipv6addressautolink-local--配置自动生成链路本地地址[AR1-GigabitEthernet0/0/0]undoipv6ndrahalt--允许接口发送RA报文，默认不发送RA报文[AR1-GigabitEthernet0/0/0]quitAR1路由器上的配置[AR1]display

ipv6

interface

GigabitEthernet

0/0/0

--查看接口的IPv6地址GigabitEthernet0/0/0

current

state

:

UP

IPv6

protocol

current

state

:

UPIPv6

is

enabled,

link-local

address

is

FE80::2E0:FCFF:FE29:31F0

--链路本地地址

Global

unicast

address(es):

2018:6:6::1,

subnet

is

2018:6:6::/64

--全局单播地址

Joined

group

address(es):

--绑定的组播地址

FF02::1:FF00:1

FF02::2

--路由器接口绑定的组播地址

FF02::1

--所有启用了IPv6的接口绑定的组播地址

FF02::1:FF29:31F0--被请求节点组播地址

查看接口IPv6设置（1）MTU

is

1500

bytes

ND

DAD

is

enabled,

number

of

DAD

attempts:

1

--ND网络发现，地址冲突检测次数

……

ND

router

advertisement

max

interval

600

seconds,

min

interval

200

seconds

ND

router

advertisements

live

for

1800

seconds

ND

router

advertisements

hop-limit

64

ND

default

router

preference

medium

Hosts

use

stateless

autoconfig

for

addresses

--计算机使用无状态自动配置查看接口IPv6设置（2）无状态自动配置生成的IPv6地址RS报文5.4.2抓包分析RA和RS数据包RA报文输入netsh。输入interfaceipv6再输入showinterface查看“Ethernet0”的索引可以看到是4。showinterface“4”查看IPv6配置的参数。在客户端查看IPv6配置使用DHCPv6可以为计算机分配IPv6地址和DNS等设置。5.4.3实现IPv6地址有状态自动配置[AR1]ipv6--启用IPv6[AR1]dhcp

enable

--启用DHCP功能[AR1]dhcpv6

duid

?

--生成DHCP唯一标识的方法

ll

DUID-LL

llt

DUID-LLT[AR1]d